高自動化率車間能源智能管理系統開發與應用

要強壯，談 洋，黃青簿，陳 瑤，孫 源

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430208）

1 引言

現階段，機器人技術和自動化控制技術迅速發展，汽車制造行業自動化水平不斷提升，高自動化率在減少操作人員的同時也帶來了設備能耗的增加[1]。國內外汽車制造行業能源控制較為粗放，高能耗問題突出[2]。我國的科技實力不斷發展進步，能源緊張與環境污染的問題日益突出，汽車產業高速發展，銷量持續增長的同時，國內汽車制造能耗也高于平均水平。汽車行業需要保持綠色低碳的內核，保證行業與企業雙層面共同發展[3]。

傳統造車過程的能源管理方法單純憑借經驗，依靠人工方式進行管控，缺乏科學有效的分析和自動化控制手段，存在較大的制造能耗優化空間[4]。采用智能控制技術，實現造車過程的節能減排，有助于提升企業自身的競爭力[5]。實現智能化，綠色化造車，研究開發高自動化率車間能源智能化管理系統，對于汽車制造業意義重大。

2 技術路線

2.1 設備能耗數據庫建立

汽車制造車間工藝復雜，設備數量眾多，能源控制實現需要系統分析造車過程設備耗能情況。通過采集造車全過程設備耗能數據，形成能源數據庫，建立車身車間設備能耗檔案，逐項分析能耗改進機會。跟蹤造車全過程能耗數據，車身車間的耗能介質主要包括電力、冷凍水及壓縮空氣等介質，使用能源的方式和種類包括通風、照明、加熱、制冷、輸送及生產等。通過數據分析，識別出車間塔燈、電控柜空調、機器人系統及輸送/壓機等動力設備，工位照明及風扇，大型除塵設備等設備運行控制粗放，存在較大改進空間。開發的能源管理系統功能圖如圖1所示。

2.2 互聯互通網絡搭建

能源智能化管控的實現，需要耗能設備的互聯互通，建立全網通達的設備網絡系統。車間耗能設備種類較多，采用的信息交互方式和通信協議存在差異。從集成控制的功能出發，需要解決不同標準系統之間的互連接和互操作的問題。首先對車間網絡梳理集成，設置網絡分級，實現透過多層網絡的設備訪問、程序修改和診斷維護，從工廠信息層到現場網絡定義一體化網絡標準，解決了協議的開放性和兼容性問題，分層實現網絡互通。在總結設備層網絡運行和維護方面的經驗后，實施基于多層級環網的工業以太網架構方案，包含系統層、單元層、模塊層。

2.3 能源智能化管控集成系統

結合物聯網和智能控制技術，開發能源智能化控制系統，實現了信息計算和設備終端控制的連接。高自動化率車間能源智能控制系統分為3個層級，耗能設備層1、網絡鏈接層2、控制終端層3，控制終端層位于上位，智能輸出控制指令，通過Message指令集成控制終端設備。上位系統設置人機交互遠程控制界面，根據排產計劃分時間控制耗能設備，實現非生產時間智能關停，按照停產期間施工區域控制設備起停狀態，實現無施工區域節能運行。網絡鏈接層傳輸控制指令，實現終端控制到耗能設備的交互鏈接。耗能設備層設置接口，實現耗能設備的系統接入。

3 創新技術

3.1 塔燈智能控制

汽車制造車間門箱、HMI、人工操作臺及指示看板等設備安裝塔燈，用于指示員工上料及工位故障，塔燈數量較多，停產時間仍然開啟會造成能源浪費，存在改進空間，且手動逐個關閉耗時較長，造成人力浪費。通過開發智能控制功能，采集車間所有塔燈控制信號，并編寫自動控制程序建立節能模式。HMI界面設置遠程操作按鈕，通過Message指令控制全廠，實現2個功能。分時段控制：按照排產計劃設立節能模式開啟時間，實現非生產時間智能控制；分區域控制：按照施工區域設置，實現無施工區域自動關停。塔燈智能控制的實現，可有效降低車間的能源損耗。塔燈遠程控制架構如圖2所示。

圖2 塔燈遠程控制架構

3.2 電柜空調智能控制

制造車間使用的馬達電柜通常采用外置空調控制柜內溫度，現場電柜空調為常開狀態，通過監控電柜空調溫度發現，環境溫度較低及停產日馬達長時間不運行時，實際可以關閉電柜空調，節約能源，但現場電柜數量較多，實際操作時耗費人力，同時存在開關機遺漏的情況。對電控柜空調開關進行改進，增加溫度傳感器、繼電器及斷路器，接入線體PLC，實現電柜空調聯網控制。通過溫度傳感器感應環境溫度實現空調智能啟停，HMI界面設置遠程操作按鈕，通過Message指令控制全廠電控柜空調，實現一鍵遠程關停，節約能源。集成電控柜空調智能控制功能，有效可行。

3.3 機器人UPS模式集成切換

工業機器人零位信息存儲在編碼中，編碼器在機器人斷電時靠底座4節干電池進行供電，在斷電過程中可能出現電量放光的情況，造成零位丟失，斷電風險極高，所以目前停產日未進行機器人斷電，耗電量較大。

對機器人編碼器供電回路改進，如圖3所示，采用UPS不間斷電源進行外部供電，機器人斷電時給編碼器持續穩定供電。能源智能管理系統上位集成切換，防止出現停產日機器人零位丟失狀況。

圖3 機器人UPS電路改進

3.4 動力設備智能啟停

汽車制造車間經常使用壓機等動力設備，實現沖壓折邊等工藝。生產期間壓機液壓泵為持續運行狀態，單臺壓機功耗較高，能耗控制存在較大改進空間。使用APC輸送機構等區域，電機帶動鏈條驅動滾輪方式進行傳動，原有運行方式下驅動電機為持續運行狀態，零件及托盤到位后，電機仍在持續工作，存在能源損耗。

將壓機液壓泵、APC電機運行的參數及信號進行監控，PLC程序中設立等待時間閾值，等待時間超閾值自動切斷壓機液壓泵和APC電機的主能源回路，實現節能目的。壓機液壓泵/APC電機智能啟停的實現，減少設備每日空耗運行時間約3h，提高設備使用壽命，達到節能減排的目的。

3.5 工位照明及風扇自動控制

自動工位照明及風扇的原有工作模式為生產日的上班時間段一直處于開啟狀態，該運行模式將會造成大量的電能耗費。自動工位照明在無相關人員參與該工位的維修、TPM等活動情況下實際可以關閉。通過廠房照明及物流通道照明可實現自動工位基本情況觀察，工位風扇在無人員上料時可以關閉。以正常生產兩班制為例，TPM、排故及更換電機帽等需要人員參與的生產活動時間比例不高。采用智能控制模式，當自動工位照明需要開啟時，智能判斷工位安全門開閉、故障報警狀態等自動開啟，其他時間將處于關閉狀態。

搭建車身車間工位照明及風扇節能系統。將工位照明及風扇接入PLC，編寫工位照明及風扇節能智能自動控制程序及HMI控制界面。以特定的故障、安全信號為觸發信號，照明才會開啟，其他時間為關閉狀態；監控無人員上料時風扇自動停止，通過HMI可快速實現整條線體照明的遠程控制，滿足按需要開啟，同時保留手動開關作為程序控制的備用方案。

以故障信號觸控工位照明的控制方法，實現節能減排的同時，創造性利用工位照明的開閉增加故障報警提示效果，可提示維修人員工位故障，充當暗燈系統故障提示輔助功能，并且可基于照明時間預判燈具使用壽命。

3.6 大型除塵設備聯動控制

車身車間以焊接工藝為主，生產過程中會產生大量粉塵、飛濺，激光房、打磨房等工位采用大型除塵設備，對造車過程產生的煙塵進行收集凈化處理。除塵設備原有控制方式為全天候開啟，產線停歇期間持續工作，存在較多空耗損失和控制不精準的問題，且大型除塵設備供排風量大，單臺功率高，全天開啟會產生很大功耗，傳統控制方式存在較大能源浪費問題。

針對車間大型除塵設備耗電量大的問題，將設備接入PLC系統，增加接觸器和I/O模塊，通過監控線體運行狀態，遠程自動控制除塵設備的啟停，由原來的持續工作改為智能控制。生產休息間隙，產線缺/堵料間隙及非生產時間，實現大型除塵設備的節能運行。

除塵設備智能控制的實現，保證環保除塵效率的前提下，一方面大大減少了設備功耗，達到節能減排的目的；另一方面科學精準的啟停控制可以有效減少設備的工作時間，延長設備的使用壽命，降低備件更換費用。

4 實施效果

4.1 經濟效益

利用物聯網和智能化技術實現了高自動化率車間能源智能控制，進行耗能設備精細化管控，減少了造車過程能源浪費。車間能源智能化控制系統的實現，實現電費節約的同時節省了手動開關機的人工工時，減少了設備持續運轉的備件損耗費用。

4.2 社會效益

此系統的開發應用，引入多項創新技術及集成應用點，建成互聯互通的耗能設備管理系統，實現智能設備的利用最大化和管理信息化，對高自動化率車間的能耗攻關起到了示范作用，降低了汽車制造成本，同行業中處于領先水平，推廣應用效益巨大。

4.3 生態效益

車間能源智能化管理系統的搭建，有利于改善傳統汽車制造過程管理粗放的問題，據統計，每年累計減少超500 t標準煤的能源消耗，節能減排效果明顯，生態效益巨大。上位集成控制系統的搭建為能源改進提供了開放的平臺，為后續新的節能創新方案和改進措施預留了接口，有助于全員參與節能改進的氛圍，樹立全員節能環保的意識，增強企業主動解決環保節能問題，落實綠色造車的責任。

5 結束語

針對高自動化率車間能耗高的問題，本文開發了一種智能化閉環能源控制系統，對系統架構和關鍵技術進行說明。通過溫濕度傳感器監控環境溫度，模擬量模塊實現信息輸出，電機能流動態反饋線體狀態，工位報警信息預警設備運行，上位系統分析處理底層信息，智能輸出控制指令，集成控制終端設備，實現車間設備能耗管理的動態精細化控制。車間能源智能化管理系統的搭建，改變了傳統汽車制造過程能源管理粗放的問題，可以為高自動化率車間的類似應用場景提供有益借鑒，助力汽車制造業實現碳中和。